CN111859660A - 大直径筒型基础抗倾覆稳定性验算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大直径筒型基础抗倾覆稳定性验算方法，包括如下的步骤：(1)建立筒型基础抗倾覆承载受力模型；(2)计算各部分抗倾覆力矩；(3)计算各部分倾覆力矩；(4)求解抗倾安全系数最小值及相应的旋转轴位置。本发明旨在实现准确评估筒型基础稳定性的目的，对海上风电大直径筒基安全运行具有十分重要的意义。

Description

大直径筒型基础抗倾覆稳定性验算方法

技术领域

本发明属于建工技术领域，特别是涉及一种基于筒内土体与筒基联动模式的大直径筒型基础抗倾稳定性验算方法。

背景技术

筒型基础形似翻转口向下的圆筒，具有造价低、便于运输和安装、现场施工时间短等优点，近30年来用于海上风电基础，展现了极大的应用前景。大直径筒型基础由大型圆顶盖与顶盖边缘一定深度的筒裙组成，筒裙嵌入土体，在外部荷载作用下与筒内土体产生一定程度的联动，使得该种基础的抗倾覆承载模式既不同于无筒裙的圆形浅基础，也异于相同高径比的圆形墩式基础。针对其抗倾覆稳定性的验算也没有相应的理论方法，同时没有相关工程技术资料可以参考，因此急需一种较为准确的验算大直径筒型基础抗倾覆稳定性的简化方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大直径筒型基础的抗倾覆稳定性的验算方法。基于筒基与筒内土体联动模式建立抗倾覆承载受力模型，提出筒型基础抗倾覆安全系数计算方法。在分析大量试验数据和数值模拟结果的基础上，提出倾覆荷载下土体联动率，对筒型基础抗倾覆承载受力模型进行修正，得到修正后的筒形基础抗倾覆安全系数计算方法，旨在实现准确评估筒型基础稳定性的目的，对海上风电大直径筒基安全运行具有十分重要的意义。本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大直径筒型基础抗倾覆稳定性验算方法，包括如下的步骤：

(1)建立筒型基础抗倾覆承载受力模型

筒与筒内土体完全一起运动，将筒基与筒内土体看做一个整体，在倾覆荷载作用下，设基础围绕底面旋转轴mn发生转动，设mn和与mn垂直的筒基直径ab的交点为x，点x距基础中心o的距离与基础半径R有如下关系：ox＝λR，ab与om的夹角为δ＝arccosλ。

抗倾覆力矩为：

M_R＝M_V+M_R1+M_Ep+M_fs (1)

式中：M_V为竖向力与自重提供的抗倾力矩；M_R1为筒端处弓形受压区地基反力提供的抗倾覆力矩；M_Ep为基础外侧被动土压力提供的抗倾覆力矩；M_fs为基础外侧摩阻力提供的抗倾覆力矩。

倾覆力矩为：

M_q＝M_H+M₀+M_Ea (2)

式中：M_H为水平荷载产生的倾覆力矩，Q_H为水平向荷载；M₀为作用于基础的外部力矩荷载；M_Ea表示基础外侧主动土压力产生的倾覆力矩。

(2)计算各部分抗倾覆力矩

a、竖向荷载提供的抗倾覆力矩：

M_V＝(Q_V+G)λR (5)

式中：Q_V为竖向荷载；G为基础与联动土体的自重。

引入土体联动率η，结合缩尺模型试验与数值模拟结果对该参数η进行率定，其中缩尺模型与原型基础成比例，缩尺模型的筒-土联动模式与原型基础相同。

G＝G_b+ηG_s (6)

式中：G_b为基础自重；η为土体联动率；G_s为筒内全部土体重量；

b、筒端地基反力提供的抗倾覆力矩：

M_x＝q_uA_xl_x (7)

式中：q_u为受压处地基承载力特征值；A_x为受压区面积；l_x为面积A_x惯性中心到mn轴的距离。

受压区为旋转轴一侧受压的弓形区域：

A_x＝(δ-λsinδ)R² (9)

c、被动土压力提供的抗倾覆力矩，不计入抗倾覆力矩的计算。

d、侧摩阻力提供的抗倾覆力矩：

M_fs＝2Q_总R(2sinδ-2λδ+λπ)/π (13)

式中：Q_总为筒型基础总的侧摩阻力，包括外侧摩阻力；

当在粘性土层时，筒壁单位面积土体侧摩阻阻力按下式计算：

f_s＝αS_u (14)

式中：α为无量纲系数；S_u为计算点土的不排水剪切强度，

系数α由下式计算：

α＝0.5Ψ^0.5，Ψ≤1.0 (15)

α＝0.5Ψ^0.25，Ψ＞1.0

若计算所得α＞1，则取α＝1。

式中：ψ为计算点处的c/P＇_o；c为黏土的黏聚力，P＇_o为计算点的有效上覆土压力。

当进入砂性土层时，筒壁单位面积土体侧摩阻力按下式计算：

f_s＝KP₀'tanβ (16)

式中：K为侧向土压力系数；β为土和筒壁之间的摩擦角。

(3)计算各部分倾覆力矩

a、水平荷载产生的倾覆力矩：

M_H＝Q_HL (17)

式中：Q_H为作用于顶盖中心处的水平向荷载；L为筒裙的长度。

b、外部弯矩荷载M₀

c、主动土压力产生的倾覆力矩，不计入抗倾覆力矩的计算；

(4)求解抗倾安全系数最小值及相应的旋转轴位置

抗倾覆安全系数：

SF_t＝M_R/M_q (18)

为寻找最危险情况，抗倾覆安全系数对λ求导得：

根据(19)，求得基础围绕底面旋转轴mn的位置，进而计算筒型基础抗倾覆的最小安全系数。

本发明的优点和有益效果为：

(1)本发明基于筒型基础与筒内土体联动模式分析，提出筒型基础抗倾覆承载受力模型。

(2)相较墩式基础，考虑了筒型基础旋转轴不确定的情况，采用求极值的思想迭代试算最危险旋转轴位置，求得筒型基础抗倾覆的最小安全系数。

(3)在分析大量试验数据和数值模拟结果的基础上，基于筒内土体不完全联动的思想提出土体联动率，对筒基抗倾力矩计算进行修正，得到更符合实际情况的筒型基础抗倾覆稳定安全系数。

(4)综上所述，本发明符合工程实际，方法简单明确，实现较为准确地验算筒基抗倾覆稳定性的目的，对海上风电大直径筒基安全运行具有十分重要的意义。

附图说明

图1为筒基抗倾覆受力模型；

图2筒型基础示意图(单位：mm)

具体实施方式

本发明的大直径筒型基础抗倾覆稳定性验算方法如下：

1、首先建立筒型基础抗倾覆承载受力模型

该种受力模式下假设筒与筒内土体完全一起运动，将筒基与筒内土体看做一个整体，可类比于墩式基础，其在倾覆荷载作用下的受力分析如图1所示，在倾覆荷载作用下，假设基础围绕底面旋转轴mn发生转动，设该mn与筒基直径ab的交点为x，该点距基础中心的距离与基础半径有如下关系：ox＝λR，ab与om的夹角为δ＝arccosλ。

该种模式下，抗倾覆力矩为：

M_R＝M_V+M_R1+M_Ep+M_fs (1)

式中：M_V为竖向力与自重提供的抗倾力矩；M_R1为筒端处弓形受压区地基反力提供的抗倾覆力矩；M_Ep为基础外侧被动土压力提供的抗倾覆力矩；M_fs为基础外侧摩阻力提供的抗倾覆力矩。

倾覆力矩为：

M_q＝M_H+M₀+M_Ea (2)

式中：M_H为水平荷载产生的倾覆力矩，Q_H为水平向荷载；M₀为作用于基础的外部力矩荷载；M_Ea表示基础外侧主动土压力产生的倾覆力矩。

2、计算各部分抗倾覆力矩

a、竖向荷载提供的抗倾覆力矩：

M_V＝(Q_V+G)λR (5)

式中：Q_V为竖向荷载；G为自重。

其中自重包括基础自重和与筒体联动的土体重量。本发明引入土体联动率这一参数，记为η，结合缩尺模型试验与数值模拟结果对该参数η进行率定，其中缩尺模型与原型基础成比例，认为缩尺模型的筒-土联动模式与原型基础相同。

G＝G_b+ηG_s (6)

式中：G_b为基础自重；η为土体联动率；G_s为筒内全部土体重量；

b、筒端地基反力提供的抗倾覆力矩：

M_x＝q_uA_xl_x (7)

式中：q_u为受压处地基承载力特征值，可由荷载试验、静力触探等现场试验以及公式计算确定；A_x为受压区面积；l_x为面积A_x惯性中心到mn轴的距离。

受压区为旋转轴一侧受压的弓形区域(图1)：

A_x＝(δ-λsinδ)R² (9)

c、被动土压力提供的抗倾覆力矩

实际工程地基多为分层土，应分层计算被动土压力的抗倾覆力矩。因风机基础倾斜率要求一般不超过0.5°，在小倾斜率下筒壁的主被动土压力难以准确计算，被动土压力大于主动土压力，因此实际验算中可将其作为安全储备，不计入抗倾覆力矩的计算。

d、侧摩阻力提供的抗倾覆力矩：

M_fs＝2Q_总R(2sinδ′-2λ′δ′+λ′π)/π (13)

式中：Q_总为筒型基础总的侧摩阻力，包括外侧摩阻力。

当在粘性土层时，筒壁单位面积土体侧摩阻阻力按下式计算：

f_s＝αS_u (14)

式中：α为无量纲系数；S_u为计算点土的不排水剪切强度，

系数α或由下式计算：

α＝0.5Ψ^0.5，Ψ≤1.0 (15)

α＝0.5Ψ^0.25，Ψ＞1.0

限制条件是α≤1.0

式中：ψ为计算点处的c/P＇_o；c为黏土的黏聚力，P＇_o为计算点的有效上覆土压力。

当进入砂性土层时，筒壁单位面积土体侧摩阻力按下式计算：

f_s＝KP＇_otanδ (16)

式中：K为侧向土压力系数；P＇_o为计算点的有效上覆土压力；δ为土和筒壁之间的摩擦角。

3、计算各部分倾覆力矩

a、水平荷载产生的倾覆力矩：

M_H＝Q_HL (17)

式中：Q_H为作用于顶盖中心处的水平向荷载。

b、外部弯矩荷载M₀

c、主动土压力产生的倾覆力矩：

因被动土压力提供的抗倾覆力矩大于主动土压力产生的倾覆力矩，在实际验算中可将此作为安全储备，不计入倾覆力矩的计算。

4、求解抗倾安全系数最小值及相应的旋转轴位置

抗倾覆安全系数：

SF_t＝M_R/M_q (18)

传统墩式基础抗倾覆稳定性验算一般以基础底面前趾为旋转轴，对于筒型基础，其旋转轴不确定，以为了寻找最危险情况，抗倾覆安全系数对λ求导得：

根据公式19，通过迭代试算可最终求得基础旋转轴的位置，在确定了基础的旋转轴位置后，可计算筒型基础抗倾覆的最小安全系数。

由于实际工程中，筒内土与筒体会发生一定程度的联动，因此验算筒型基础抗倾覆稳定性时，安全系数建议取为1.6。

下面结合实施例和附图对本发明的大直径筒型基础抗倾覆稳定性验算方法做出详细说明。

某海上风电工程位于中国东南沿海，单机容量为3.3MW，采用单筒多舱筒型基础。筒型基础外径D＝30m，筒侧壁厚t＝0.025m，基础入土高度h＝9.0m，如图2所示。

风机所在位置地质情况如1表1所示。

表1土层参数表

风机在承载能力极限状态极端工况下荷载组合如表2所示。

表2 3.3MW风机抗倾覆验算荷载组合值

首先进行迭代计算确定基础的旋转轴位置：ox＝2.7m。

筒端土层为粉土层，地基承载力特征值为320kPa，故地基承载力提供的抗倾力矩为：

M_R1＝q_uA_xl_x＝0.32×272.87×5.15＝449.79MNm

摩阻力提供的抗倾力矩为：

M_fs＝2Q_总R(2sinδ′-2λ′δ′+λ′π)/π

＝2×1.64×15×(2×sin1.39-2×0.18×1.39+0.18×3.14)

＝99.85MNm

经试验与数值模拟结果分析，得到筒内土体的联动率为0.72，故竖向荷载与自重提供的抗倾力矩为：

M_V＝(V+G_b+ηG_s)λR＝(4.61+20.6+0.72*59.5)×2.7＝183.74MNm

水平荷载导致的倾覆力矩为：M_H＝8.2×9＝73.81MNm

筒基受到的外部弯矩荷载为：

M₀＝1.68×26+6.5×9.5+127.2＝232.6MNm

被动侧土压力提供的抗倾力矩M_Ep大于主动侧产生的倾覆力矩M_Ea，因此，将土压力作用视为筒型基础抗倾能力的安全储备，不计入总的抗倾力矩，则筒型基础的总抗倾力矩为：

M_R＝M_R1+M_fs+M_V＝449.79+99.85+183.74＝733.38MNm

筒型基础受到的倾覆力矩为：M_q＝M_H+M₀＝73.81+232.6＝306.44MNm

因此，筒型基础的抗倾安全系数为：

满足抗倾覆安全系数大于1.6的要求。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种大直径筒型基础抗倾覆稳定性验算方法，包括如下的步骤：

(1)建立筒型基础抗倾覆承载受力模型

筒与筒内土体完全一起运动，将筒基与筒内土体看做一个整体，在倾覆荷载作用下，设基础围绕底面旋转轴mn发生转动，设mn和与mn垂直的筒基直径ab的交点为x，点x距基础中心o的距离与基础半径R有如下关系：ox＝λR，ab与om的夹角为δ＝arccosλ；

抗倾覆力矩为：

M_R＝M_V+M_R1+M_Ep+M_fs (1)

式中：M_V为竖向力与自重提供的抗倾力矩；M_R1为筒端处弓形受压区地基反力提供的抗倾覆力矩；M_Ep为基础外侧被动土压力提供的抗倾覆力矩；M_fs为基础外侧摩阻力提供的抗倾覆力矩；

倾覆力矩为：

M_q＝M_H+M₀+M_Ea (2)

式中：M_H为水平荷载产生的倾覆力矩，Q_H为水平向荷载；M₀为作用于基础的外部力矩荷载；M_Ea表示基础外侧主动土压力产生的倾覆力矩；

(2)计算各部分抗倾覆力矩

a、竖向荷载提供的抗倾覆力矩：

M_V＝(Q_V+G)λR (5)

式中：Q_V为竖向荷载；G为基础与联动土体的自重；

引入土体联动率η，结合缩尺模型试验与数值模拟结果对该参数η进行率定，其中缩尺模型与原型基础成比例，缩尺模型的筒-土联动模式与原型基础相同；

G＝G_b+ηG_s (6)

式中：G_b为基础自重；η为土体联动率；G_s为筒内全部土体重量；

b、筒端地基反力提供的抗倾覆力矩：

M_x＝q_uA_xl_x (7)

式中：q_u为受压处地基承载力特征值；A_x为受压区面积；l_x为面积A_x惯性中心到mn轴的距离；

受压区为旋转轴一侧受压的弓形区域：

A_x＝(δ-λsinδ)R² (9)

c、被动土压力提供的抗倾覆力矩，不计入抗倾覆力矩的计算；

d、侧摩阻力提供的抗倾覆力矩：

M_fs＝2Q_总R(2sinδ-2λδ+λπ)/π (13)

式中：Q_总为筒型基础总的侧摩阻力，包括外侧摩阻力；

当在粘性土层时，筒壁单位面积土体侧摩阻阻力按下式计算：

f_s＝αS_u (14)

式中：α为无量纲系数；S_u为计算点土的不排水剪切强度，

系数α由下式计算：

α＝0.5Ψ^0.5，Ψ≤1.0 (15)

α＝0.5Ψ^0.25，Ψ＞1.0

若计算所得α＞1，则取α＝1；

式中：ψ为计算点处的c/P＇_o；c为黏土的黏聚力，P＇_o为计算点的有效上覆土压力；

当进入砂性土层时，筒壁单位面积土体侧摩阻力按下式计算：

f_s＝KP₀'tanβ (16)

式中：K为侧向土压力系数；β为土和筒壁之间的摩擦角；

(3)计算各部分倾覆力矩

a、水平荷载产生的倾覆力矩：

M_H＝Q_HL (17)

式中：Q_H为作用于顶盖中心处的水平向荷载；L为筒裙的长度；

b、外部弯矩荷载M₀

c、主动土压力产生的倾覆力矩，不计入抗倾覆力矩的计算；

(4)求解抗倾安全系数最小值及相应的旋转轴位置

抗倾覆安全系数：

SF_t＝M_R/M_q (18)

为寻找最危险情况，抗倾覆安全系数对λ求导得：

根据(19)，求得基础围绕底面旋转轴mn的位置，进而计算筒型基础抗倾覆的最小安全系数。

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